（控制科学与工程专业论文）燃料电池汽车混合制动系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：越武日期：型丝妄：圣j 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：赵斌 导师( 签名) 参仨如期加1 1 ；7 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 汽车以其 混合制动 系统进行制动，如何实现混合制动系统机电制动力的合理分配和制动回收能量 的有效管理对提高能源利用率、增加燃料电池汽车续驶里程具有重要意义。本 文以燃料电池轻型客车为研究对象，开展对整车混合制动系统的研究与设计， 主要研究内容如下： 在分析燃料电池混合制动系统结构的基础上，基于自主研发的燃料电池轻 型客车，提出整车机电制动力串联结构以及燃料电池、锂电池和超级电容三能 源并联结构方案，在此基础上介绍燃料电池轻型客车混合制动系统的工作原理， 最后对不同制动模式下的能量流向进行分析。 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 为制动控制器的核心，设计燃料电池汽车混合制动 系统的硬件系统，它包括接口模块设计、电源模块设计和通信模块设计。接口 模块设计包括模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、整车车速采集模块、 温度采集模块的设计；电源模块设计即为控制芯片和各个接口模块的供电电源 设计；通信模块设计即为数据采集系统和c a n 通信网络的设计。 根据整车混合制动系统的控制目标，提出基于最优控制的机电制动力分配策 略和基于多模型控制的制动回收能量管理策略，并进行仿真分析。仿真结果表 明，与传统控制策略相比，本文所提出的控制策略能够很好的优化驾驶员的制 动感受和提高能量回收效率。 关键词：燃料电池汽车，混合制动，能量管理，最优控制，多模型 a b s t r a c t e n e r g yd e p l e t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e c o m ep r e s s i n gp r o b l e m si n s o c i e t yt o d a y f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e sw i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e sf o re n e r g y - s a v i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na t t r a c t e da t t e n t i o nm o r ea n dm o r ec o u n t r i e s f u e lc e l l u s eh y b r i db r a k i n gs y s t e mt ob r a k e ，h o wt oa c h i e v ear e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o nb e t w e e n e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lb r a k i n gf o r c ea n de f f e c t i v em a n a g e m e n to fb r a k i n ge n e r g y r e c o v e r yi sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n ge n e r g ye f f i c i e n c y , i n c r e a s et h ed r i v i n gr a n g e o ff u e lc e l lv e h i c l e s i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra c c o m p l i s h e dt h er e s e a r c ho nv e h i c l e h y b r i db r a k i n gs y s t e md e s i g n ，w h i c ht a k e sf u e lc e l le l e c t r i cb u sa sar e s e a r c ho b j e c t r e s e a r c ha c h i e v e m e n ta sb e l l o w ： i nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fh y b r i df u e lc e l lv e h i c l eb r a k i n gs y s t e mb a s e d o nt h es t r u c t u r e ，b a s e do ni n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u e lc e l le l e c t r i c b u s ，p r o p o s e ds e r i e ss t r u c t u r eo ft h ev e h i c l ee l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lb r a k i n gf o r c e ， p a r a l l e ls t r u c t u r eo ff u e lc e l l ，l i t h i u mb a t t e r ya n ds u p e rc a p a c i t o r , i n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l eo fh y b r i db r a k i n gs y s t e mo ff u e lc e l le l e c t r i cb u s i nt h ea n a l y s i so fe n e r g y f l o wo fd i f f e r e n tb r a k i n gm o d e s t h ec o r eo ft h eb r a k ec o n t r o l l e ri st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p , d e s i g n e dah a r d w a r e s y s t e mo ff u e lc e l lv e h i c l eh y b r i db r a k i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sd e s i g ni n t e r f a c e m o d u l e ，p o w e rm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l ed e s i g n i n t e r f a c em o d u l ed e s i g n i n c l u d e sa n a l o gm p u ta n do u t p u tm o d u l e s ，s w i t c hi n p u ta n do u t p u tm o d u l e s ，v e h i c l e s p e e da c q u i s i t i o nm o d u l e ，t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e ；p o w e rm o d u l ed e s i g n s h a l lc o n t r o lc h i pa n dv a r i o u si n t e r f a c em o d u l ep o w e rs u p p l yd e s i g n ；c o m m u n i c a t i o n m o d u l ed e s i g nt h a tf o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m sa n dc a nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k d e s i g n a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo b j e c t i v e so fh y b r i dv e h i c l eb r a k i n gs y s t e m ，p r o p o s e d m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lb r a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i o ns t r a t e g yb a s e do no p t i m a lc o n t r o l a n db r a k ee n e r g yr e c o v e r ym a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do nm u l t i m o d e lc o n t r o l ，a n d a n a l y z e dt h es i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h i s p a p e rc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e sc a l lo p t i m i z et h ed r i v e l sf e e l i n ga n d i m p r o v e db r a k ee n e r g yr e c o v e r ye f f i c i e n c y n k e y w o r d s ：f u e lc e l le l e c t r i cb u s ，h y b r i db r a k i n g ，e n e r g ym a n a g e m e n t ，o p t i m a l c o n t r o l ，m u l t i m o d e lc o n t r o l n i 目录 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 课题研究意义及课题来源1 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 燃料电池电动汽车研究现状分析2 1 3 2 机电制动力分配方法现状分析3 1 3 3 制动回收系统能量管理现状分析4 1 4 主要研究内容，5 第2 章燃料电池汽车混合制动系统结构和工作原理7 2 1 燃料电池汽车混合制动系统结构7 2 1 1 混合制动系统制动力结构7 2 1 2 混合制动系统能源结构9 2 1 3 混合制动系统的整体结构1 3 2 2 混合制动系统的工作原理1 4 2 2 1 再生制动的工作原理1 4 2 2 2 机电制动力分配原理。1 5 2 2 3 影响制动能量回收的主要因素。1 6 2 3 不同制动模式下的能量流向分析1 7 2 4 本章小结。1 9 第3 章燃料电池客车混合制动系统硬件设计2 0 3 1 硬件总体设计2 0 3 2 整车制动控制器接口模块设计2 l 3 2 1 模拟量输入输出模块2l 3 2 2 开关量输入输出模块2 3 3 2 3 整车车速采集模块：2 5 3 2 4 温度采集模块2 6 3 3 整车制动控制系统电源模块设计2 6 3 4 整车制动控制系统通信模块设计2 8 i v 3 4 1 无线通信模块接口设计2 8 3 4 2c a n 通信模块接口设计2 9 3 5 本章小结3 1 第4 章燃料电池汽车混合制动系统控制策略研究3 2 4 1 燃料电池汽车混合制动系统的控制目标3 2 4 2 机电制动力分配策略研究3 2 4 2 。l 制动力分配模型3 3 4 2 2 最优控制策略3 4 4 2 3 仿真结果分析3 7 4 3 基于多模型控制的制动回收能量管理策略研究4 0 4 3 1 多模型集的建立4 0 4 3 2 多控制集的设计4 3 4 3 3 切换调度原则4 5 4 3 4 仿真结果分析5 0 4 4 本章小结5 3 第5 章全文总结及展望。5 4 5 1 全文工作总结5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 致谢6 l v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 能源枯竭是当今世界面临的最严重问题，针对能源短缺问题，各国都在寻 找一种行之有效的解决方法，但预计未来几十年，以石油为主导能源，以天然 气和煤炭为辅助能源的架构将会在各国持续存在，然而三大能源在不断短缺的 同时，也导致了全球性的温室效应，人类赖以生存的地球，正面临着严重的威 胁。因此，人们期望寻找新的能源替代传统能源，解决一系列现在所面临的问 题。燃料电池由于其大功率密度、高能量转换效率、较宽的工作温度范围、无 污染等良好性能，被视为最理想的选择【l j 。燃料电池电动汽车由于具有燃料利用 率高，低噪声，无污染和续驶能力强等优点，受到国内外相关领域科学家的重 视，同时也已经将燃料电池汽车的研发列为国家“8 6 3 计划 的重大项目。 燃料电池电动汽车一般采用燃料电池作为主能源，动力电池或者超级电容 作为辅助能源的结构，与传统燃油汽车相比，不仅避免了能源短缺和环境污染， 另外一个很重要的区别是可实现电机再生制动，回收一部分电动汽车在制动过 程中损失的能量，特别是在车辆需要频繁启动和制动的城市循环工况下，制动 损失的能量高达3 0 , 6 0 1 2 j ，因此再生制动是提高电动汽车能量利用率的一个重 要途径，分析研究再生制动，对提高能量利用率、增加电动汽车的续驶里程具 有重大意义。 本文紧跟国家在燃料电池电动汽车这一前沿研究领域的重点攻关方向，对 燃料电池电电混合动力汽车的制动过程及制动控制方法进行研究，设计开发了 燃料电池客车混合制动控制系统，实现对机电制动力协调分配和最大化能量回 收，系统中采用分布式c a n 总线技术，运用集成电路设计、模糊控制【3 】等诸多 领域的先进技术，具有智能的机电制动力分配和能量流控制算法，稳定的控制 性能和良好的性价比。 1 2 课题研究意义及课题来源 传统燃油汽车由于采用机械制动，将汽车的动能通过摩擦制动装置转换成 武汉理工大学硕士学位论文 热能，散发到大气中，无法回收利用。电动汽车由于采用电机进行驱动，而电 机既可以工作在电动状态也可以工作在发电状态，因此，在汽车制动时，可以 让电机工作在发电状态，从而将汽车制动时的动能转换成电能储存在车载储能 装置中加以再利用，从而达到提高能量利用率、增加电动汽车续驶里程的目的f 4 】。 制动能量回收系统不仅提高了能量利用率和电动汽车续驶里程，也提高了 电动汽车制动的安全性和舒适性，电动汽车的制动系统是由传统的摩擦制动和 新型的电机制动共同作用产生的，只要在不同的制动条件下，让两种制动力协 调分配，就能在很大程度上提高制动的安全性、稳定性、可靠性和舒适性。 在城市循环工况下，汽车需要频繁的进行启动和制动，相关研究表明，如 果能有效的回收制动能量，电动汽车的续驶里程能提高1 0 到3 0 t 5 1 ，同时制动 的安全性和舒适性也会有很大提高。研究和开发高效率、高性能的制动能量回 收系统，对电动汽车的发展和普及至关重要。本文以自然科学基金项目“燃料 电池电动汽车机电混联式柔性制动关键问题研究 为背景，主要研究燃料电池 客车混合制动系统的设计。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 燃料电池电动汽车研究现状分析 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 作为燃料电池电动汽车的主能源，是一种 将氢和氧反应产生的化学能装换成电能的装置。反应过程由于不涉及燃烧和热 机做功，因此能量转换效率较高，大部分燃料电池的能量转换效率可以达到 5 0 , - 6 0 ，其能量利用效率是普通内燃机的2 3 倍。此外，燃料电池还具有无 污染、低噪声、燃料来源广泛等优点。 目前，世界上各大知名汽车企业都在进行燃料电池电动汽车相关方面的研 究，1 9 9 3 年3 月，戴克公司推出n e c a r 4 燃料电池车，以液态氢为燃料，时速 可以达到1 4 4 k m h 。2 0 0 0 年1 1 月，戴克公司采用巴拉德公司“m a r k9 0 0 最新 一代燃料电池堆，最高时速提高到1 5 0 k m h 。1 9 9 6 年，丰田公司研制使用了纯 氢的r a v 4 燃料电池。本田公司也在2 0 0 0 年北京国际汽车展览会上展出了f c x 燃料电池概念车，此车采用甲醇重整制氢的质子交换膜燃料电池。通用汽车公 司在2 0 0 0 年开发出了第一台“氢能一号燃料电池 概念车，以液态氢为燃料的 质子交换膜燃料电池汽车，时速可以达到1 4 4 8 k m h t 6 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池汽车由于自身存在许多暂时无法解决的问题，如汽车的启动、动 态响应特性等，另外由于燃料电池严禁反向进行充电，单能源燃料电池汽车无 法对汽车的制动能量进行回收。因此，世界上大多数汽车厂商开始把重点转向 燃料电池电电混合动力汽车上。2 0 0 1 年9 月，本田推出一款新型燃料电池混合 动力汽车“f c x v 4 ，输出功率由原来的6 2 k w 提高到7 8 k w ，最高时速由原来 的1 3 0 k m h 提高到1 4 0 k m h 。与此同时，丰田公司也开发了新型的燃料电池混合 动力汽车“f c h v 3 ，该车配备镍氢电池，采用氢吸附和金供氢方式，时速最高 可以达到1 5 0 k m h ，其中燃料电池输出功率高达9 0 k w i n 。 1 3 2 机电制动力分配方法现状分析 机电混合制动系统结构根据制动力分配模式不同，一般分为并联式和串联 式结构1 8 l 。并联式结构中，液压制动系统前后轮所需制动力按固定比例进行分配， 电机输出制动力与目标制动力成一定比例，但在同等制动强度下，该结构所获 得的实际制动强度会大于无再生制动系统汽车的制动强度，从而会导致驾驶员 操纵制动踏板感觉波动较大，缺乏平顺感觉及稳定性。美国y i m i ng a o 、h o o ny e o 以及清华大学教授张俊智等分别发表了各自设计的串联式制动能量回收系统【9 l 。 串联式结构中，驱动轮的制动力由机械制动和电机制动共同组成，且二者根据 实际制动工况可进行优化分配，从而使得在回收制动能量的同时，保证驾驶员 获得与传统汽车相同的制动感觉。 关于机电制动力分配方法，y t m i ng a o 等提出了评价再生制动能量回收效率 的三种制动力分配方法，并在城市循环工况下，对混合动力汽车进行了仿真分 析【1 0 1 。重庆大学舒红等采用固定比例离线优化方式建立了发电机和行车制动系 的制动力分配优化模型，获得了轻度混合动力汽车再生制动能量管理控制规则 【1 1 1 。山东大学李柯等提出了基于损耗模型的高效制动效率优化控制策略，从感 应电机再生制动控制和制动力分配两个角度改进电动汽车的制动能量回收策略 1 2 1 。美国h o n g w e ig a o 等提出了燃料电池汽车基于开关磁阻电机再生制动的神 经网络控制系统，并在行驶循环工况下进行了能量回收效率的分析【1 3 1 。日本 m i s a w ak a s a h a r a 等采用滑模控制方法对带a b s 防抱死的线控制动系统进行协调 分配f 1 4 1 。 总结起来，以上机电制动力分配主要存在固定比例式、制动效率优化控制 式和最优回馈能量控制f ”】三种方式。固定比例式机电制动力分配根据车速与制 武汉理工大学硕士学位论文 动强度来控制再生制动力大小，但忽略了路面状况及车辆工况的变化，很难达 到回收能量的最优化；制动效率优化控制方式主要从制动过程关键部件( 驱动电 机) 发电效率优化角度进行制动力分配，但对制动稳定及安全性考虑较少：最优 回馈能量控制方式则是在满足制动需求与制动安全的条件下，按保证回馈制动 能量最大化原则来分配机电制动力，但这种分配方式没有综合考虑车辆制动效 能，影响制动感觉及制动效果。 1 3 3 制动回收系统能量管理现状分析 液压制动与再生制动力进行协调分配后，另一个关键问题就是如何实现回 馈能量的安全高效吸收，即整个制动回收系统的能量管理问题。能量管理问题 反过来又会影响机电制动力的协调分配，二者是密不可分的。要实现制动系统 的能量优化管理，首先必须确定制动能量回收系统的拓扑结构。燃料电池电动 汽车动力系统由燃料电池及辅助储能源构成，日本丰田、本田及美国通用汽车 公司推出的燃料电池概念汽车主要采用高性能锂电池组作为辅助储能源【1 6 】。国 内三大燃料电池汽车研发机构正分别研制燃料电池大客车( 清华大学) 、燃料电池 轿车( 同济大学) 以及燃料电池轻型客车( 武汉理工大学) ，其辅助储能源均实现了 由镍氢电池到磷酸铁锂电池的转型【1 7 1 。因燃料电池高效率、零污染以及锂电池 功率密度及体积密度高等优点，二者的强混合结构正逐步成为燃料电池电动汽 车动力系统的发展方向。 目前电动汽车能量管理问题研究主要集中在动力系统能量管理策略与仿真 分析上。意大利pc o r b o 等研究燃料电池锂电池混合氢动力汽车，从仿真模拟 及路况实验两个角度，验证了混合动力结构相比纯氢燃料电池汽车的优势【l 副。 瑞典l a i n el 等集整车能量管理及稳定性控制研究于一体，对混合动力汽车的牵 引和制动管理给出控制逻辑和分配策略【1 9 1 。山东大学吴剑等研究采用b p 神经网 络实现对并联式混合动力汽车的能量管理【2 0 】。吉林大学于秀敏等重点研究混合 动力汽车控制策略【2 l 】，并提出基于混沌优化理论及双路控制模式的混合动力汽 车能量管理策略。河南科技大学付主木研究了基于切换系统理论的混合动力汽 车能量管理策略田j 。 以上研究主要从整个动力系统的优化及能量管理出发，缺乏对制动过程能 量优化管理的深入研究，而燃料电池汽车机电混合制动过程是一个涉及复合储 能源、驱动电机及双向d c d c 变换器等多部件多影响因素的时变非线性系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 首先，复合储能源的结构匹配及最优充电策略是实现能量优化管理的前提和基 础。其次，驱动电机在发电状态下的效率优化问题也是能量管理的关键，而且， 整车在不同制动强度下优化问题又具有较大差别。因此本文引入双向d c d c 变 换器进行锂电池组与超级电容器的电压耦合，并通过控制d c d c 目标电流达到 对复合储能源的充电优化管理，并根据车速及制动强度细化整车制动模式，研 究不同制动模式下的能量优化管理策略。 故当整车在不同车速下经历不同制动强度的制动过程时，采用单一模型及 控制策略进行制动回收系统的能量优化管理难以准确揭示参数时变性的非线性 混合制动机理，本文在对复合储能源匹配充电以及驱动电机再生制动原理研究 基础上，细化燃料电池电动汽车整车制动工况为减速制动、限速制动以及滑行 制动三种制动模式，提出采用多模型切换控制进行制动回收系统能量综合优化 管理。多模型控制自上世纪7 0 年代诞生以来，逐步成为国内外控制界专家研究 的热点领域。美国耶鲁大学n a r e n d r a 教授领导的科研小组提出了基于指标切换 函数的多模型自适应控n t 2 3 1 。c e z a y i d i 等针对不确定非线性系统采用多模型切 换控制来改善系统的瞬态响应 2 4 1 。国内东北大学柴天佑院士【2 5 1 、哈尔滨工业大 学段广仁教授【2 6 1 、东南大学费树岷教授1 2 7 】、上海交通大学李少远、王听教授田】、 华中科技大学方华京教授【2 9 】、北京科技大学李晓理教授【3 0 】等在多模型切换控制 领域做了大量深入细致的工作，取得了一定的研究成果。 1 4 主要研究内容 本文结合武汉理工大学与东风汽车公司合作的燃料电池轻型客车“楚天二 号的设计项目，在对燃料电池汽车混合制动系统结构分析的基础上，设计了 燃料电池汽车串联式三能源混合制动控制系统，并通过一定的控制策略对混合 制动系统的机电制动力比例和能量回收比例进行合理调节，以实现制动的安全 性、舒适性以及能量回收的最大化。主要研究内容有以下几点： ( 1 ) 完成燃料电池汽车混合制动系统结构的研究。在对燃料电池汽车混合 制动系统结构分析的基础上，确定了机电制动力的串联结构以及燃料电池+ 锂电 池+ 超级电容三能源并联结构，并分析了混合制动系统在不同制动模式下的能量 流向。 ( 2 ) 燃料电池客车混合制动系统的硬件设计。详细介绍了燃料电池轻型客 车混合制动系统的硬件整体设计方案，并对各个接口电路进行了详细说明。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 研究燃料电池客车混合制动机电制动力分配策略。对混合制动系统的 两种制动力的相应模型进行研究，在此基础上，提出了基于最优控制理论的机 电制动力分配策略，从而优化驾驶员的制动感觉以及提高能量回收效率。 ( 4 ) 研究燃料电池客车混合制动回收能量管理策略。提出了基于多模型控 制的能量管理策略，采用神经网络结构和算法对不同状态下的复杂系统进行各 子模型的建模，针对已建好的各个子模型，设计相应的控制器，并给出了基于 模糊规则的切换调度原则。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章燃料电池汽车混合制动系统结构和工作原理 燃料电池汽车混合制动系统主要包括机电制动力分配系统和能量回收系 统。其中，机电制动力包括电机制动力和液压制动力，二者的组成结构，直接 影响二者制动力矩的分配。能量回收系统储能装置包括锂电池组、超级电容器 组，二者的组成结构，也直接影响了能量回收的效率。本章在详细分析了各种 组成结构的优缺点后，提出了机电制动力结构和能源配置的合理组成方案，并 对混合制动系统工作原理进行介绍，最后分析了不同制动模式下的能量流向。 2 1 燃料电池汽车混合制动系统结构 2 1 1 混合制动系统制动力结构 传统汽车的制动系统，主要通过机械制动方式，将动能转换成热能而损耗。 燃料电池汽车混合制动系统中，由于驱动系统由电机代替传统的燃油发动机， 其制动力由电机制动力和传统机械制动力共同组成混合制动系统，与传统的机 械制动相比，混合制动存在如下优势【3 l 】：( 1 ) 能量利用率：传统的机械制动系 统，在制动过程中，动能无法再次回收利用。而在混合制动系统中，可以通过 电机制动将部分机械能转换成电能存储在复合储能装置中，从而有效增加能量 利用率。( 2 ) 制动可靠性：在制动频繁的城市工况，传统制动器通常因频繁制 动摩擦而导致制动器表面温度升高而失效，影响车辆制动的稳定性。混合制动 系统可以减少摩擦制动器的使用频率，有效降低制动器表面温度，提高制动的 稳定性和安全性。( 3 ) 续驶里程：传统的制动系统，制动过程中的动能主要通 过热能的形式而损失，而混合制动系统可以回收相当大一部分动能，很大程度 提高了电动汽车的续驶里程。( 4 ) 维修保养：传统的制动系统，由于制动器以 摩擦形式工作，为了保障安全，需要经常更换刹车片，增加了车辆的维修保养 费用，而混合制动系统，可以有效降低摩擦片的使用频率，降低维修保养费用。 混合制动系统中，机械制动力和电机制动力的构成方式主要有并联和串联 两种，并联式结构中机械制动系统前后制动器制动力按固定的比例分配，电机 输出制动力大小与目标制动力成一定比例分配，其结构图如图2 1 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1并联式制动系统结构 机械连接线 信号线 制动轮缸 整个并联式制动控制系统的机械制动力是按照固定比例进行分配的，不受 制动控制器控制，只需要调节电机制动力的大小，就可以达到控制前后轮制动 力分配比例的目的，这种控制结构的优点主要体现在对原车机械制动部分改动 少，改造成本低，参数控制也较单一，而且在一旦系统中机械制动发生故障， 对整个系统制动效果影响较小，可靠性很高，但是在制动强度一定的情况下， 该结构所获得的实际制动强度会大于无再生制动系统的制动强度，导致驾驶员 操纵制动时，踏板感觉波动较大，缺乏平顺感和稳定性。 与并联式结构不同，串联式制动系统的结构中，机械制动力和电机制动力 的大小都可以进行调整，其结构如图2 2 所示： 图2 - 2 串联式制动系统结构 机械连接线 信号线 制动轮缸 串联式结构与并联式结构相比较而言，改造成本较高，它的主要特点是驱 动轮的制动力由电机制动力和机械制动力共同组成，且二者根据实际制动工况， 可以任意进行优化分配，从而使得在回收制动能量的同时，保证驾驶员获得与 传统汽车相同的制动感觉，本设计中，为了更好的让驾驶员保持原车制动的感 觉，采用了此种设计结构。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 混合制动系统能源结构 由于燃料电池特性偏软【3 2 】【3 3 】，单能源燃料电池驱动系统，很难满足燃料电 池汽车机动性的需求，而且，由于燃料电池严格禁止反向充电，也不能对制动 能量进行回收。因此，燃料电池汽车的驱动能源一般采用多能源结构，不仅可 以增强燃料电池汽车的机动性，同时也可以对制动能量进行有效的回收，增加 燃料电池汽车的续驶里程。驱动能源的多种组合决定了混合制动系统的能源构 成的多样化，除了主能源燃料电池以外，辅助能源一般存在蓄电池和超级电容 两种。在确定能源配置之前，首先要分析三种能源的特性。 ( 1 ) 混合制动系统能源特性分析 燃料电池的输出特性偏软，其带负载后的输出电压电流特性曲线如图2 3 所 示，从图中可以看出，燃料电池带负载后的输出电压下降很快，而作为一种交 通工具，燃料电池汽车必须具有较强的机动性，驱动功率不可避免会经常波动， 与燃料电池的输出特性刚好相矛盾，并且，如果在整车驱动的过程中，燃料电 池输出功率波动过于频繁，会大大降低燃料电池的输出效率，而影响其性能。 因此，在电动汽车领域中，一般在燃料电池的输出端串联d c d c 变换器，通过 d c d c 变换器的稳压作用来稳定燃料电池的输出电压，同时，也可以对燃料电 池的输出功率进行控制。另外，为了覆盖燃料电池输出功率波动，提高峰值功 率，还需要配置辅助能源，来提高燃料电池的瞬态特性。 燃料电池输出电流( 砷 如 图2 3 燃料电池电流电压特性曲线 车用蓄电池主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂电池等3 4 1 ，长期以来，一直 选用铅酸电池作为车载动力源，但铅酸电池具有污染严重、能量密度低、循环 9 武汉理工大学硕士学位论文 寿命短、体积重量大、需经常维护等缺点，逐渐在汽车领域被淘汰，取而代之 的是在各方面性能都优于铅酸电池的锂电池。目前锂电池主要分为锰酸锂、钴 酸锂及磷酸铁锂电池三种，其中钻由于全球储量有限，钴酸锂系锂离子电池难 以得到大规模应用，锰酸锂由于一直未能解决其低容量及高温循环性能差的缺 点，也未能得到推广。磷酸铁锂电池以其高安全性、高可靠性、循环寿命超长、 充放电平台稳定等优点，广泛应用于电动汽车领域，因此，本文选取磷酸铁锂 电池作为燃料电池的辅助能源，用于覆盖燃料电池的功率波动和回收制动时的 能量。磷酸铁锂电池组由1 1 0 节4 0 a h 单体电池串联组成，单体电池的技术参数 如表2 1 所示。 表2 14 0 a h 磷酸铁锂电池的技术参数 外形尺寸 1 8 1x1 1 5 x 4 6 ( r a m ) 额定容量4 0 a h 充电( c h a r g e ) 3 9 v 工作电压 放电( d i s c h a r g e ) 2 5 v 最大充电电流小于2c a 恒流放电 2 c a 最大放电电流 脉冲式放电 1 0 c a 标准充放电电流 0 3 c a ( 8 0 d o d )2 0 0 0 次 循环寿命 ( 7 0 d o d ) 3 0 0 0 次 壳体耐热性 2 5 0 充电( c h a r g e ) 0 - - 6 0 使用环境 放电( d i s c h a r g e ) 2 5 - 6 0 自放电率( 月)3 月 单体电池重量 2 2 k 9 4 - 3 0 9 超级电容的工作原理是通过在电极上加压让电极表面形成双层电容，达到 存储能量的目的。目前超级电容的电容量可以达到数千法拉，瞬时功率比普通 电池高出2 0 倍，功率密度是普通锂电池的1 0 倍以上。超级电容需要的充电时 间非常少，可以在数秒内将电量充满，非常适合短时间制动回收能量，而且充 放电次数可以达到1 0 万次以上，循环寿命远远高出锂电池f 3 5 】。本文选择的超级 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 电容的主要参数如表2 2 所示。 表2 2 超级电容主要技术参数 项目指标 说明 工作电压1 9 2 3 8 5 浪涌电压 4 5 0 单体电容容量( f ) 2 5 0 0 最大放电电流( a ) 4 0 0 额定工作电流( a ) 2 0 0 可输出能量( 、)6 0 01 0 0 a 充放电 内阻( m f 2 ) 8 0 放置2 4 小时后 电压保持能力( v ) 3 3 0 工作温度( o c ) - 4 0 5 5 存储温度( o c ) 5 0 6 0 循环使用寿命( 次) 1 0 万 重量( k g ) u 时，电机所产生的感应电动势，通过给储能装置进行充电， 实现能量回收。此时，整个回路的电流为制动电流厶。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 l ：鱼盟 兄+ 足 其中，r 为制动回馈电路的等效电阻。 ( 2 3 ) 本文选用的电机为无刷直流电机，它的体积小，控制精度高，具有普通直 流电机易于控制的特点，广泛应用在电动汽车领域，其具体参数如表2 3 所示。 表2 3 无刷直流电机的技术参数 额定功率( k w ) 5 0 最大功率c k w ) 8 5 最高转速( r m i n ) 4 0 0 0 额定转速( r m i n )2 8 0 0 额定电压( v ) 3 3 6 工作电压( v )3 0 0 - - 4 4 0 平均工作效率 9 2 2 2 2 机电制动力分配原理 燃料电池汽车机电制动力分配主要解决两个问题，首先需要协调好液压制 动力在前后轮的分配比例，其次，由于前轮( 驱动轮) 的制动力由液压制动和 电机制动共同组成，需要协调二者的分配比例，在保证制动安全和舒适的前提 下，最大程度的回收制动能量。系统首先根据采集到的油门踏板、制动踏板、 整车车速信息，对驾驶员的制动意图和制动模式作出判断，确定整车目标制动 力，再以驾驶员的最优制动感觉以及制动安全性为目标，确定前后轮制动力的 大小。然后根据实际制动工况以及电机状态，确定液压制动和电机制动在前轮 的分配比例。机电制动力分配原理图如图2 - 9 所示。 制 图2 - 9 燃料电池客车机电制动力分配原理图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 影p 向, e j 动能量回收的主要因素 在燃料电池汽车制动过程中，除去行驶阻力和空气阻力等消耗的能量，并 不是所有制动能量都可以回收，只有在驱动轮上的部分制动力才能进行回收， 而这部分制动力的回收率还受到很多因素的影响。主要因素包括以下几个方面： ( 1 ) 驾驶员制动意图 驾驶员的制动意图主要通过驾驶员对档位、油门踏板和制动踏板的操作反 映出来，档位主要是跟整车车速相关联，油门踏板用来识别驾驶员进入制动之 前的状态，制动踏板直接反应整车当前所需制动力矩。根据驾驶员不同的意图， 主要分为滑行制动、限速制动、减速制动三种模式【3 引，不同的制动模式直接影 响了液压制动力和电机制动力的分配比例，从而影响了能量的回收效率。 ( 2 ) 电机 电机的性能与再生制动的能量回收率密切相关。首先，电机能够提供的再 生制动力越大，在机电混合制动过程中，可以尽可能加大电机制动力的比例， 从而有利于能量回收。其次，电机的发电能力和效率越高，在进行再生制动时， 在不考虑储能源的实际回收能力的情况下，理论上可以回收的能量就越多，回 收效率也相应提高。 ( 3 ) 储能装置 在电机回馈功率确定之后，能否将回馈功率高效、快速的吸收，与所选的 储能源有十分密切的关系。首先需要反复对比各种储能源的优点与缺点，结合 实际情况，选取一种最佳配置。在配置确定之后，实际回收中，需要考虑储能 装置允许的最大充电电流、s o c 值和比功率的影响，确定各个储能源的最佳回 收功率，达到最大化回收能量的目的。 ( 4 ) 控制策略 能量回收效率不仅和上述硬件条件有关，还需要一定的软环境。当电机和 储能装置按照系统要求选定后，整车控制策略就决定了能量回收的多少。控制 策略规定了前后轮制动力分配比例以及驱动轮上的电机制动力和机械制动力的 分配比例，同时规定了储能装置的充电功率的大小。 ( 5 ) 使用环境 使用环境主要是指车辆行驶的外部环境，包括车辆行驶路况、外界温度和 车上各部件的状态。其中，路况的不同，驾驶员对制动的需求也不同，能够有 效回收能量的时间也就相应不同。外界温度主要影响电机的性能，一般温度越 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 低，电机的发电效果就越好，回收效率就相应提高。车上各部件的状态主要是 指储能装置的状态，状态越好，回收能量的效果越好。 2 3 不同制动模式下的能量流向分析 与油电混合动力汽车不同，燃料电池电动客车在整车巡航或者滑行工况下， 可以作为整车复合储能源的充电器，为锂电池和超级电容进行充电，但燃料电 池系统严格禁止反向充电，不能吸收回馈电能。因此，必须研究整车进入制动 工况前的初始状态，针对滑行前0 动、巡航埔0 动及加速制动三种典型过渡过程， 研究燃料电池系统与电机再生制动的协调匹配策略，以此作为三种典型制动模 式控制算法的初始条件。基于三种基本制动模式的特点，分别研究不同制动模 式下的能量管理策略。 滑行制动模式主要针对整车处于滑行工况下，其能量流图如图2 1 0 所示： 图2 1 0 滑行制动模式下能量流图 流 滑行工况下，在进入制动模式之前，驾驶员不踩油门踏板，汽车处于空挡 滑行状态，进入制动模式后，驾驶员通过小幅度踩下制动踏板来达到汽车慢慢 减速的目的。此模式下，由于制动强度较小，为了能够最大化的实现能量回收， 系统可以关闭液压制动，完全采用电机再生制动方式。由于系统的制动过程是 通过长时间的小制动强度完成，故电机能够产生持续的充电电流给储能源进行 充电，由于锂电池相比超级电容而言，容量较大，而且充放电都需要较长时间， 此种工况下，在锂电池s o c 允许的前提下，应优先考虑锂电池吸收回馈能量。 在锂电池s o c 值较低时，燃料电池可以通过单向d c d c 转换器对锂电池进行 小功率恒流充电。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 限速制动模式主要针对整车长下坡或低制动强度减速等工况下，其能量流 图如图2 1 1 所示： 图2 1 1限速制动模式下能量流图 仁制动力 此模式下，制动强度相比滑行制动较大，单独的电机制动已经无法满足制 动要求，考虑到系统制动的安全性，必须采取液压制动和电机再生制动进行混 合制动，但是为了提高此模式下的能量回收效率，主要以电机制动为主，液压 制动为辅，由于系统制动回馈能量功率较大，此时可以不用采取燃料电池小电 流充电策略，同时采取超级电容和锂电池联合储能，通过判断超级电容和锂电 池的s o c 值，控制双向d c d c 电流的目标电流值，来控制超级电容的吸收功 率，从而控制两种储能源的能量吸收比。 减速制动模式主要针对整车在近距离遇到障碍物后进行的常规制动，其能 量流图如图2 1 2 所示。